最新原子分子光谱-第九次复习-1126精品课件

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1、原子分子光谱-第九次复习-20101126本门课程重点复习内容本门课程重点复习内容2电子组态：电子壳层排布：l次壳层最多 2（2l+1）个电子；n壳层最多 个电子。量子数：n=1，2，3，l=0，1，2，n-1 s，p，d，ml=0，1，2，lms=1/29LS谱项：1.由Pauli不相容原理，任意两电子的（n、l、ml、ms）不能完全相同，同科电子允许的谱项只能是L+S为偶数的项。2.对于闭壳层电子，总的轨道角动量、总自旋角动量及总角动量均为 零，所以闭壳层电子对光谱项中的L、S、J没用贡献，所以我们只需 考虑非闭壳层即可，nlm与nl2（2l+1）-m允许谱项相同。10实例：电子组态 对应

2、光谱项 对应光谱支项2s2p1P1，3P0，1，21P，3P 1P，3P，1D，3D，1F，3F3p3d 1P1，3P0，1，2，1D 2，3D1，2，3，1F3，3F2，3，4 1s2（同科电子）1S0，3S11S 1S，3S，1P，3P，1D，3D 1S0，3S1，1P 1，3P0，1，2，1D2，3D1，2，3 2p2（同科电子）红色为禁戒谱项11LS耦合下的能级结构：在LS耦合下pd组态能级结构与各种相互作用3P球平均 +库仑直接+库仑交换 +自旋轨道+外磁场EavPFD1P1F3F3D1D1P11F33P0124323212MJ10-1.210-1-212多电子原子的磁矩多电子原子的

3、磁矩 13 在外磁场中，原子由于具有总磁矩j，而产生与磁场的附加的相互作用能：由于总角动量j的空间取向量子化（mj=-j，-j+1，j），磁场作用下的附加能量不同，引起能级分裂。劈裂的能级个数为2j+1。跃迁选择定则：M=0，114塞 曼(Zeeman)效 应15正常塞曼效应：正常塞曼效应：电子发生跃迁前后两个原子态的总自旋都为零的谱线称为单态谱线，单态谱线分裂为三条的现象称为正常塞曼效应。当当s s1 1=s=s2 2=0=0 时时反常塞曼效应：反常塞曼效应：反常塞曼效应是上下能级s1,s2都不等于零，g1,g2都不等于1，非单态能级之间的跃迁16超精细结构：1.磁超精细结构（核自旋效应）2

4、.电超精细结构（核电四极矩效应）3.同位素效应17 由于原子核的质量比电子的质量大几千倍，当核的分布发生微小变化时，电子能够迅速调整其运动状态以适应新的核势场，而核对电子在其轨道上的迅速变化却不敏感。因此，波恩和奥本海默将电子运动和核的运动分开，讨论电子运动时近似认为电子是在不动的核的势场中；讨论核运动时，认为核受到一个与电子坐标无关的有效势的作用，这就是波恩-奥本海默近似。Bohn-Oppenheimer近似:-eZAeZBe研究电子：A、B核不动ZAeZBe研究核：不显含电子坐标，电子提供一个平均的有效势回顾18 在Bohn-Oppenheimer近似下，分子总波函数分离为电子波函数和核波

5、函数两部分：其中，e 描述电子的运动，依赖于核的坐标，不依赖核的量子状态；n描述核的运动，主要反映核的振动和转动状态。对于固定核 ，为常数，电子波函数满足：核运动满足：19分子的转动、振动、电子能级示意图E e E v ErEr：1040.05eV ：0.8400cm-1 位于微波和远红外光区Ev：0.051eV ：4008000cm-1位于红外光区Ee：120eV ：81031.6l05cm-1位于紫外、可见光区20回顾双原子分子转动光谱双原子分子转动光谱转动跃迁选律转动跃迁选律:整体选律整体选律:只有极性分子才有转动光谱只有极性分子才有转动光谱;具体选律具体选律:J=1.21转动能级转动能

6、级回顾转动光谱转动光谱22 具体选律：才有具体选律：才有v=1的跃迁是允许的的跃迁是允许的.谐振子能级图回顾23转动光谱 振动光谱 物理模型 刚性转子模型谐振子模型 跃迁选律 J J=1=1 v=1=1特点 谱线等间距排列 能级等间距排列 公式 键长键的力常数 得到信息 总结总结:24波数4 3 2 1 0 1 2 3JP支 R支J01234J 01234v+1v25振动激发可以同时伴随转动激发，用高分辨率红外光谱仪可观察到振转光谱.例如,HCl的振转光谱如下:P支支 Q支支 R支支26电偶极跃迁速率：27EnEnEi共振辐射吸收EiEn受激发射Ei自发发射2829能级寿命和宽度：当 时，激发

7、态i的原子数目减小为原来的1/e。EP（E）EiP（Ei）P（Ei）/2半高全宽30tF T31谱线宽度和线型：EI（E）E0=Ei-EkI0I0/2E1.自然线宽：能级的寿命带来的谱线的自然地展宽EiEk原子或分子在两能态上的运动近似用一个具有阻尼的谐振子描述。洛伦兹线型322.多普勒宽增宽：发光原子或分子与接收器间的相对速度带来的接收到的辐射谱线的增宽我们称之为多普勒宽度。高斯线型：33（1）碰撞作用使发光粒子突然中断发光而缩短寿命造成能级展宽。3.碰撞增宽：（2）由于碰撞使波列发生无规则的相位突变所引起的波列缩短，等效于寿命缩短。洛伦兹线型：34例：氦氖激光器和CO2激光器的三种谱线增宽

8、。T=300K,Ne 原子6328(632.8nm,红光)谱线不同机理的增宽:此谱线主要机理是Doppler增宽35AbsorbedTransmittedReflectedIncident light l0l0l0l0l l0l l0ElasticInelastic瑞利散射和拉曼散射36散射光强与4成反比。把线度小于光的波长的微粒对入射光的弹性散射，称为瑞利散射。1.瑞利散射：瑞利散射：372.拉曼散射 在散射光中在散射光中出现与入射光频率不同的散射光出现与入射光频率不同的散射光，这种现象称为，这种现象称为拉曼散射。拉曼散射。h(0+)E0E1E1+h 0E2+h 0 h h 0h(0-)瑞利

9、散射斯托克斯散射反斯托克斯散射38CCl439储存环示意图储存环示意图插入件：产生各类插入件：产生各类不同特征的同步辐射不同特征的同步辐射同步加速腔：加速同步加速腔：加速电子，并补充同步电子，并补充同步辐射损失的能量辐射损失的能量真空室：减少因残留气体真空室：减少因残留气体碰撞而损失光束线能量碰撞而损失光束线能量四极磁铁：以透镜四极磁铁：以透镜机制聚焦光束线机制聚焦光束线弯转磁铁弯转磁铁：使束流轨使束流轨道转弯，产生同步辐射道转弯，产生同步辐射同步辐射同步辐射40411.1.辐射光的波长连续可调、范围宽；辐射光的波长连续可调、范围宽；2.2.亮度高；亮度高；3.3.准直性好；准直性好；4.4.

10、单色性好；单色性好；5.5.偏振光；偏振光；6.6.有特定的时间结构；有特定的时间结构；7.7.稳定。稳定。8.8.多用户多用户同步辐射特性：同步辐射特性：42入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f分光系统分光系统 将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一”波长的“单色光”的器件。1.棱镜：棱镜：棱镜分光系统使辐射沿焦面呈非线性色散，短波的色散大于长波。43 光栅光栅反射光栅反射光栅透射光栅透射光栅透光宽度透光宽度不透光宽度不透光宽度光栅常数光栅常数d 大量等宽等间距的平行狭缝大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面或反射面)构成的光学元件构成的光学元件光栅宽度为光

11、栅宽度为 l，每毫米缝数每毫米缝数为为 m，则，则总缝数总缝数光栅光栅44缝间干涉主极大就是光栅衍射主极大，其位置满足缝间干涉主极大就是光栅衍射主极大，其位置满足 光栅方程光栅方程 多缝干涉主极大光强受单缝衍射光强调制，使得主极大光多缝干涉主极大光强受单缝衍射光强调制，使得主极大光强大小不同，在单缝衍射光强极小处的强大小不同，在单缝衍射光强极小处的主极大主极大缺级。缺级。缺级条件缺级条件如如缺级缺级缺级缺级缺级条件分析缺级条件分析三三.衍射和缝间干涉的共同结果衍射和缝间干涉的共同结果4546单缝衍射和缝间干涉的共同结果几种缝的光栅衍射几种缝的光栅衍射47斜入射的光栅方程斜入射的光栅方程主极大条

12、件主极大条件k=0,1,2,3缺级条件缺级条件最多明条纹数最多明条纹数p48k=0闪耀光栅 光栅分辨率：49入射狭缝S1出射狭缝S2球面镜M1球面镜M2反射光栅G（闪耀光栅）S1处于M1的焦平面处。光栅单色仪S2处于M2的焦平面处。50常用激光器由三部分组成：常用激光器由三部分组成：工作物质工作物质 泵浦源泵浦源 光学谐振腔光学谐振腔激光激光激光器结构示意图激光器结构示意图全反镜半反镜增益介质泵浦灯1.激光器的结构51按输出方式分：按输出方式分：脉冲输出脉冲输出连续输出连续输出按工作物质分按工作物质分：半导体激光器半导体激光器气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器液体激光器液体激光器自由电子

13、激光器自由电子激光器2.激光器的分类按输出波长分：按输出波长分：紫外和真空紫外激光器紫外和真空紫外激光器红外和远红外激光器红外和远红外激光器可见光激光器可见光激光器X射线激光器射线激光器52（1 1）方向性好）方向性好3.激光的特性（2 2）单色性好）单色性好(3)(3)亮度高亮度高(4)(4)相干性好相干性好534.激光器原理EiEn受激发射受激辐射光放大54粒子数分布反转粒子数分布反转受激发射占优势受激发射占优势为得到光放大为得到光放大,必须使必须使N2 N155实现粒子数反转实现粒子数反转电激励电激励化学激励化学激励热激励热激励光激励光激励激励激励(又称泵浦又称泵浦)E1E2泵浦56三能

14、级系统三能级系统三能级系统三能级系统E1E3E2泵浦亚稳态E1E4E3泵浦亚稳态E2四能级系统四能级系统四能级系统四能级系统 57采用采用采用采用光激励光激励光激励光激励方法：方法：方法：方法：受激和发光都在受激和发光都在受激和发光都在受激和发光都在CrCr3+3+上进行，上进行，上进行，上进行，是典型的三能级系统是典型的三能级系统是典型的三能级系统是典型的三能级系统。红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光器58氦氖激光器氦氖激光器是四能级系统是四能级系统是四能级系统是四能级系统(电激励电激励电激励电激励)s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞撞电电子子碰碰撞撞激激发发电电子子碰激

15、激发发自发辐射自发辐射632.8nm共共振振转转移移回顾电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转，产生激光跃迁的是Ne气，He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率593)二氧化碳激光器工作物质：工作物质：CO2、N2和和He的混的混合物合物激光波长：激光波长：10.6微米、微米、9.6微米微米（远红外光）（远红外光）（利用基态的不同振动态的转（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能动能级之间的跃迁，故光子能量小）量小）特点：特点：激光器效率高、输出能激光器效率高、输出能量大、功率高量大、功率高。四能级、电激励604）染料激光器n有机化合物液体（染料）激

16、光器，简称染料激光器n染料激光器：若丹明6G、隐花青，豆花素n特点：激光波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲（3fs）、可获得窄的谱线宽度n广泛应用到光生物学、光谱学、光化学同位素分离、全息照像等技术中，研究物质的瞬态变化过程及微观动力学。61四能级625）半导体激光器n半导体激光器以半导体为工作物质，常用材料有GaAs（砷化镓）、InP等。具有小型、高效率、结构简单、价格便宜等优点，在光纤通信、激光唱片、光盘、数显、准直等领域得到广泛应用。半导体激光器又称为半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为文缩写为LD (Lase

17、r Diode)LD (Laser Diode)，是，是实用中最重要的一类激光器实用中最重要的一类激光器。63利用半导体中载流子（电子或空穴）在导带和价带之间的受激跃迁而实现受激辐射光放大。（半导体中的电流是电子和空穴的移动而形成的，称为载流子。）646）自由电子激光器65zdz增益介质增益介质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质zdI(z)z z+dzL通过增益介质后通过增益介质后,光强随距离增长光强随距离增长介质对光的增益系数介质对光的增益系数66一对反射镜为端面的腔体称为一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔谐振腔。光学谐振腔

18、的作用光学谐振腔的作用激光在两反射镜间形成激光在两反射镜间形成驻波驻波。谐振条件为：。谐振条件为：2nL=k =k c 2nL L:腔长腔长 n:介质介质折射率折射率67振荡模式振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用的光波基本形式，用TEMmnq表示。表示。m和和n表征该模式在垂直于腔轴内形成表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数驻波的节点数,称称横模数横模数。q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称点数，称纵模数纵模数。1.纵模纵模 能引起振荡的频率关系能引起振荡的频率关系2.横模横模 光场在横向不同的稳定

19、分布。光场在横向不同的稳定分布。688.激光形成的阈值条件激光形成的阈值条件光在谐振腔内受到各种光在谐振腔内受到各种损耗损耗:(1)反射镜的透射损耗反射镜的透射损耗(2)谐振腔的内部损耗谐振腔的内部损耗I3I1I0rr12内内I4I2光在腔内往返一次不光在腔内往返一次不会被衰减的条件，会被衰减的条件，即即形成激光振荡的阈值形成激光振荡的阈值条件：条件：内内阈阈内内69由以上讨论可将激光工作原理总结如下：由以上讨论可将激光工作原理总结如下：由以上讨论可将激光工作原理总结如下：由以上讨论可将激光工作原理总结如下：(1)工作物质在激励能源激励下实现粒子工作物质在激励能源激励下实现粒子 数反转数反转(2)由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传 播的光子在工作物质中引起受激辐射播的光子在工作物质中引起受激辐射(3)光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内 往返振荡，不断得到放大往返振荡，不断得到放大(4)满足阈值条件下形成激光满足阈值条件下形成激光70谢 谢！71